В 1672 г. французский астроном Рише обнаружил, что его астрономические часы с маятником, точно выверенные в Париже, стали отставать на 4 минуты в сутки на экваторе (в Кайенне). Для восстановления правильного хода пришлось укоротить маятник на 3 миллиметра.
Это явление вначале оставалось непонятным, и только Ньютон в 1687 г. указал, что причина этого — уменьшение силы тяжести от полюса к экватору.
Ньютон впервые указал и причину такого уменьшения. Земля не имеет формы правильного шара, она сплюснута в полюсах и имеет форму эллипсоида; как образно выразился Ньютон, «земля на экваторе немного выше». Тела на экваторе находятся дальше от центра земли, чем тела, находящиеся у полюса, и слабее притягиваются землей.
Благодаря вращению земли развивается центробежная сила, стремящаяся оторвать тела от поверхности земли и как бы уменьшающая их вес. Это уменьшение наиболее заметно на экваторе, где центробежная сила наибольшая (примерно 1/300 от силы притяжения), на полюсах она равна нулю.
Для того времени это были весьма смелые мысли, не сразу получившие признание. Только в середине XVIII века, после точных градусных измерений экспедиций на экваторе и у полярного круга, мнение Ньютона о сплюснутости земли в полюсах стало неоспоримым.
Теперь мы знаем, что полярный радиус на 21 километр 700 метров меньше радиуса экваториального. Вследствие этого, а также вследствие вращения земли, гиря, весящая на экваторе 1 килограмм, на полюсе увеличит вес на 2,6 грамма. Точная зависимость между изменением силы тяжести при переходе от южных широт к северным и сплюснутостью земли была установлена французским математиком Клеро (1743 г.).
Теорема Клеро дала в руки ученых прекрасное средство для решения весьма трудного вопроса геофизики о форме земли. Следует измерять величину силы тяжести в различных широтах северных и южных, и по разности полученных величин можно делать выводы о форме земли. Чем дальше на север удастся нам сделать определения силы тяжести, тем с большей точностью можно будет судить о сплюснутости земли.
Земля сплюснута в полюсах и имеет форму эллипсоида
*
Из многих способов, предложенных для измерения силы тяжести, наибольшее распространение получил метод маятника. Еще в 1638 г. Галилей открыл закон колебания простого маятника, по которому время одного колебания (период) зависит от длины маятника и от силы тяжести в данном месте. Ему же и принадлежит идея определять напряжение силы тяжести в данном месте по наблюдению периода колебания маятника определенной длины.
На особой солидной подставке подвешивают четыре маятника неизменной длины. Каждый маятник снабжен агатовым ножом, которым он опирается на агатовую пластинку, укрепленную на верхней площадке подставки. Если качнуть маятник, он качается продолжительное время, постепенно слегка затухая. Колебания регистрируются и сравниваются с ходом астрономических часов, в результате определяется период колебания с точностью до десятимиллионной доли секунды времени.
Зная периоды колебаний одного и того же маятника в разных местах поверхности земли, выводят, пользуясь законом Галилея, изменение силы тяжести между этими пунктами.
Определения силы тяжести, производившиеся в XVIII и XIX веках, дали возможность получить величину сжатия земного эллипсоида. Однако все полученные в разных местах величины не следовали точно формуле Клеро, а более или менее от нее отклонялись. Эти отклонения — «аномалии силы тяжести» — указывали на два обстоятельства.
Точная фигура уравненной поверхности земли отклоняется от эллипсоида, который был принят в формуле Клеро. Эта истинная фигура была названа геоидом, и перед геодезистами встала новая задача — исследовать, насколько геоид уклоняется от принятого эллипсоида.
Расположение физической поверхности земли, эллипсоида и геоида.
Причиной аномалий является также неравномерное распределение масс в верхних частях земной коры. Величины силы тяжести, непосредственно наблюдаемые на поверхности земли, стоят в непосредственной зависимости от распределения более или менее плотных масс под поверхностью земли.
Последнее обстоятельство дало толчок к развитию гравиметрических исследований как метода решения трудных проблем геофизики о строении земной коры и для геологической разведки. Если различное распределение масс под земной поверхностью влияет на величины силы тяжести на поверхности, то и обратно: по наблюденным величинам силы тяжести можно, при некоторых дополнительных условиях, делать заключение о геологическом строении скрытых частей земной коры.
*
Особенно большую услугу при наблюдениях оказало радио, при помощи которого получают из больших астрономических обсерваторий точное время до сотой доли секунды, что необходимо при измерениях силы тяжести. До применения радио приходилось в каждом пункте наблюдений производить точные астрономические наблюдения: выжидать ясной погоды и возить, кроме маятникового прибора, часов или хронометров, ряд астрономических приборов. Теперь устроены приборы с фотографической регистрацией колебаний маятника.
Установка маятникового прибора при наблюдениях на Памире в 1932 г
Если в 80-х годах прошлого столетия по земному шару было 150 точек определения силы тяжести, то теперь мы имеем многие тысячи таких определений. В пределах бывшей России с XVIII столетия до 1922 г. определено 532 пункта. За вторую пятилетку должно быть определено 10 000 пунктов. Ряд геологических проблем, имеющих важное значение для горно-рудной промышленности, получают ценные материалы благодаря гравиметрическим работам. Таковы работы в районе Курской магнитной аномалии, в районах нефтяных месторождений Эмбы, Грозного, в каменноугольных бассейнах — Донецком, Кузнецком, в рудных районах Урала.
В 1934 г. норвежский ученый Хирвонен попытался обработать имевшийся по всему миру материал по силе тяжести. Работы Хирвонена отчетливо показывают, что истинная фигура уровенной поверхности земли — геоид — весьма мало, в пределах около 100 метров, уклоняется oт сплюснутого эллипсоида, который поэтому может быть принят для многих практических целей за истинную фигуру земли. Однако этот вопрос еще ждет окончательного решения.
Главным препятствием определения силы тяжести было то, что приборы требовали прочного фундамента. Поэтому все наблюдения ограничивались сушей. Поверхность океанов и морей (около 3/4 земной поверхности) оставалась вне гравитации. Только в 1924 г. голландцу В. Мейницу удалось сконструировать прибор, дающий возможность определять силу тяжести на водной поверхности, с ним совершил Мейниц ряд больших экспедиций около экватора. У нас в Союзе подобным методом с подводной лодки произведены определения силы тяжести в Черном море.
Колоссальные неизведанные пространства Арктики представляют ряд загадок для геофизиков и геологов, и гравитация должна оказать в этом отношении неоценимые услуги. В 1935 г. при организации экспедиции на
«Садко» решено было включить в нее работы по определению силы тяжести.
Для этой цели был использован маятниковый прибор В. Мейница. Хотя работы с ним производились обычно на погружающейся подводной лодке, однако решено было применить его на надводном судне. «Садко» часто находился во льду или у кромки льда, когда волнение было незначительно и наблюдения с прибором В. Мейиица возможны. Бывали случаи, когда наблюдения удавались и в совершенно открытом море при штилевой погоде. Опыт «Садко» показал, что в Арктике вполне возможны работы по определению силы тяжести с надводного судна. «Садко» удалось сделать определение силы тяжести в 51 пункте в Гренландском, Баренцевом и Карском морях.
Маятниковый прибор для определения силы тяжести в море.
Фоторегистрирующая часть маятникового прибора.
До работ «Садко» во всей Арктике, севернее 75°, было сделано различными экспедициями всего 28 пунктов силы тяжести.
Работы «Садко» представляют часть больших работ, которые предстоят по гравитационному обследованию Арктики. Вопросы тектоники Арктики, вопросы распределения горнорудных богатств, связанных с тектоникой, — должны быть освещены этими работами.
Комментариев нет:
Отправить комментарий